用单片机设计制作道路信号灯控制系统毕业论文.doc

毕业论文 摘要 以单片机 at89c51 作为城市交通灯的控制核心，模拟定周期交通信 灯的工作状态；针对复杂多变的路况环境，特别增设了路段遇忙调 整紧急情况处理、特种车检测、语音提示等模块，进一步完善了交 通灯控制系统。 关键词：at89c51 单片机；智能交通灯控制 毕业论文 目录 摘要 i 1.绪论 1 1.1 道路信号灯的发展背景 1 1.2 道路信号灯在国内外的研究与应用现状 .2 2.道路交通灯 3 2.1 交通灯硬件系统设计 .3 2.2 交通灯的软件系统设计 .8 设计总结. 11 参考文献 .12 致谢 .13 毕业论文 1.绪论 1.1 道路信号灯的发展背景 近年来，随着国民经济的快速发展，车辆的增多，交通拥挤和阻塞现象时常出 现。交通拥塞已成为城市交通中迫切需要解决的社会问题。而我国传统使用的 定周期控制和各路口各自的独立控制方法，在解决这些问题时效果并不是很好。 越来越多的证据表明，简单地扩大道路基础设施并不能解决交通拥堵问题。这 要求在现有道路条件下，提高交通控制和管理水平，合理使用现有交通设施， 充分发挥其能力，更加灵活有效地提高道路的利用率。本文采用 51 系列单片机 at89c51 为中心器件设计交通灯控制系统。19 世纪初，在英国中部的约克城， 红，绿装风别代表女性的不同身份。其中，这红装的女人表示我已结婚，而这 绿装的女人这是未婚者。后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故， 于是人们受到红绿装启发，1868 年 12 月 10 日，信号等家族的第一个成员就在 伦敦议会大厦的广场上诞生了，有当时英国机械师德哈特设计，制造的灯柱 高 7 米，身 上 挂 着 一 盏 红 、 绿 两 色 的 提 灯 -煤 气 交 通 信 号 灯 ， 这 是 城 市 街 道 的 第 一 盏 信 号 灯 。 在 灯 的 脚 下 ， 一 名 手 持 长 杆 的 警 察 随 心 所 欲 地 牵 动 皮 带 转 换 提 灯 的 颜 色 。 后 来 在 信 号 灯 的 中 心 装 上 煤 气 灯 罩 ， 它 的 前 面 有 两 块 红 、 绿 玻 璃 交 替 遮 挡 。 不 幸 的 是 只 面 世 23 天 的 煤 气 灯 突 然 爆 炸 自 灭 ， 使 一 位 正 在 值 勤 的 警 察 也 因 此 断 送 了 性 命 。 从 此 ， 城 市 的 交 通 信 号 灯 被 取 缔 了 。 直 到 1914 年 ， 在 美 国 的 克 利 夫 兰 市 才 率 先 恢 复 了 红 绿 灯 ， 不 过 ， 这 时 已 是 “电 气 信 号 灯 ”。 稍 后 又 在 纽 约 和 芝 加 哥 等 城 市 ， 相 继 重 新 出 现 了 交 通 信 号 灯 。 随 着 各 种 交 通 工 具 的 发 展 和 交 通 指 挥 的 需 要 ， 第 一 盏 名 副 其 实 的 三 色 灯 (红 、 黄 、 绿 三 种 标 志 )于 1918 年 诞 生 。 它 是 三 色 圆 形 四 面 投 影 器 ， 被 安 装 在 纽 约 市 五 号 街 的 一 座 高 塔 上 ， 由 于 它 的 诞 生 ， 使 城 市 交 通 大 为 改 善 。 黄 色 信 号 灯 的 发 明 者 是 我 国 的 胡 汝 鼎 ， 他 怀 着 “科 学 救 国 ”的 抱 负 到 美 国 深 造 ， 在 大 发 明 家 爱 迪 生 为 董 事 长 的 美 国 通 用 电 器 公 司 任 职 员 。 一 天 ， 他 站 在 繁 华 的 十 字 路 口 等 待 绿 灯 信 号 ， 当 他 看 到 红 灯 而 正 要 过 去 时 ， 一 辆 转 毕业论文 弯 的 汽 车 呼 地 一 声 擦 身 而 过 ， 吓 了 他 一 身 冷 汗 。 回 到 宿 舍 ， 他 反 复 琢 磨 ， 终 于 想 到 在 红 、 绿 灯 中 间 再 加 上 一 个 黄 色 信 号 灯 ， 提 醒 人 们 注 意 危 险 。 他 的 建 议 立 即 得 到 有 关 方 面 的 肯 定 。 于 是 红 、 黄 、 绿 三 色 信 号 灯 即 以 一 个 完 整 的 指 挥 信 号 家 族 ， 遍 及 全 世 界 陆 、 海 、 空 交 通 领 域 了 。 1.2 道 路 信 号 灯 在 国 内 外 的 研 究 与 应 用 现 状 中 国 最 早 的 马 路 红 绿 灯 ， 是 于 1928 年 出 现 在 上 海 的 英 租 界 。 从 最 早 的 手 牵 皮 带 到 20 世 纪 50 年 代 的 电 气 控 制 ， 从 采 用 计 算 机 控 制 到 现 代 化 的 电 子 定 时 监 控 ， 交 通 信 号 灯 在 科 学 化 、 自 动 化 上 不 断 地 更 新 、 发 展 和 完 善 。 交 通 指 挥 灯 是 非 裔 美 国 人 加 莱 特 摩 根 在 1923 年 发 明 的 。 此 前 ， 铁 路 交 通 已 经 使 用 自 动 转 换 的 灯 光 信 号 有 一 段 时 间 了 。 但 是 由 于 火 车 是 按 固 定 的 时 刻 表 以 单 列 方 式 运 行 的 ， 而 且 火 车 要 停 下 来 不 是 很 容 易 ， 因 此 铁 路 上 使 用 的 信 号 只 有 一 种 命 令 ： 通 行 。 公 路 交 通 的 红 绿 灯 则 不 一 样 ， 它 的 职 责 在 很 大 程 度 上 是 要 告 诉 汽 车 司 机 把 车 辆 停 下 来 。 开 车 的 人 谁 也 不 愿 意 看 到 停 车 信 号 。 美 国 夏 威 夷 大 学 心 理 学 家 詹 姆 斯 指 出 ， 人 有 一 种 将 刹 车 和 油 门 与 自 尊 相 互 联 系 的 倾 向 。 他 说 ： 驾 车 者 看 到 黄 灯 亮 时 ， 心 里 便 暗 暗 作 好 加 速 的 准 备 。 如 果 此 时 红 灯 亮 了 ， 马 上 就 会 产 生 一 种 失 望 的 感 觉 。 他 把 交 叉 路 口 称 作 “心 理 动 力 区 ”。 如 果 他 的 理 论 成 立 的 话 ， 这 个 区 域 在 佛 罗 伊 德 心 理 学 理 论 中 应 该 是 属 于 超 我 （ supere go） 而 非 本 能 （ id） 的 范 畴 。 毕业论文 2.道路交通灯 2.1 交通灯硬件系统设计 2.1.1 控制流程分析 (1)从循环图分析可知：东西方向和南北方向信号灯控制是中心对称的，即无论 是主干道还是支干道两侧系统对同方向的信号灯控制是同步的。 图 1 交通流向循环图（上北下南左西右东） (2)从循环图分析可知：人行道无论哪个方向，系统对两侧 4 个信号灯的控制也 是同步的，且人行道的红绿灯变化和行车道的红绿灯变化应该是一致的。 (3)通过对上面整体思路的分析，可以用单片机 p2 口和 p0 口、锁存芯片和显示 译码芯片的配合来实现控制 led 灯和数码管。通过锁存芯片实现单片机口的分 时复用，简单易行，且编程简单，能实现数据的快速交换以及单片机的资源的 充分利用。 毕业论文 2.1.2 系统硬件设计 本系统选用通过 p0 和 p2 用做输出显示控制口。p0 口通过锁存芯片 74hc573 和 显示译码芯片 tc4511bp 分时复用控制 led 数码管实现行车道上红绿灯规律变化。 p2 口当作普通输出口直接控制人行道红绿灯规律变化，记数采用 2 个 40s 的循 环方式来控制。led 数码管通过静态显示方式实现倒计时读秒。 2.1.3 交通灯的正常显示 图 2 交通信号灯控制系统结构图 交通灯正常工作状态电路图和状态表如图 3 和表 1 所示： 图 3 显示器和键盘部分电路 毕业论文 表 1 系统工作状态表 车道状态 时间 s 南行 北行 西行 东行 1 0-39 红 红 绿 绿 2 40-79 绿 绿 红 红 人行道状态 时间 s 南-北 北-南 东-西 西-东 1 0-39 绿 绿 红 红 2 40-79 红 红 绿 绿 其中，po 口分时复用控制的是人行道红绿灯状态的变化，p2 口直接输出控制的 是行车道红绿灯状态的变化。由于 p0 口是作为分时复用总线使用，单片机 p0 口传送的数据首先通过 74hc573 锁存。通过 p2 口直接输出控制行车道上红绿灯 的变化，通过编程控制，要和 p0 口控制的人行道红绿灯的变化相符合。通过 p0 口分时复用，同时控制 led 数码管的显示，具体显示方式即倒计时读秒，而 p0 口并不能单独完成此功能。在这里，选用 tc4511bp 芯片。 tc4511bp 是 bcd-七段 led 锁存/译码/驱动器。当使能端 le 为低电平时，将加 在 a、b、c、d 端的数据译成段驱动信号，经限流电阻送到数码管的段控制线上。 当使能端 le 为高电平时，驱动信号被锁存在 tc4511bp 的输出端，实现静态显 示。 2.1.4 其他硬件模块 （1）紧急情况处理 如图 4，外部中断 int1 用于对紧急情况、流量控制和恢复等情况的控制，模拟 意外事故等实际情况导致交通突然瘫痪，此时就需要手动对交通状况进行紧急 情况下的处理，待意外事故结束后按下恢复键恢复交通。 毕业论文 当按下紧急情况处理键时，通过外部中断 int1 感应，通过 p1.7 口软件编程控 制，系统实现车道人行道红灯全部亮起，禁止一切车辆和行人通行，led 数码 管显示“88” 。 （2）交通遇忙调整 为了增加交通灯指示的灵活性，提高交通的流通效率，可根据调查交道口的车 流量或交警的经验来重设各交通灯的点亮时间。为简化处理，我们假设了两种 情况：南北路段忙和东西路段忙。 表 2 路段遇忙调整时间表 状况 东西道车行时间（s） 南北道车行时间（s） 东西路段忙 60 20 南北路段忙 20 60 当按下南北忙按键时，系统实现的功能是:通过外部中断 int1 感应，通过 p1.6 口软件编程控制，系统实现下个循环按照如表 2 所示的调整时间表来实现循环。 毕业论文 （3）特种车检测 图 4 中，用到的特种车检测开关即干簧管，通过干簧管的开合直接控制外部中 断 int0 的变化，进而通过程序控制发光二极管及七段 led 数码管的相应变化。 （4）语音模块 语音模块设计的要求是模拟在交通灯十字路口处有紧急情况或者特种车辆通过 时应用此模块实现录放功能，实现特殊情况下对车辆和行人的提醒和警示作用。 在实际应用中，要求语音电路单独实现录放并能循环播放录音内容，实际电路 图如图 5 和图 6 所示。图 5 实现的是循环播放功能，最高位地址(msb)a8、a9 都为高电平时，地址端就作为操作模式选择端（高电平有效） ，此时若 a3/m3 脚 也为高电平，此电路就能实现从 0 地址位开始连续重复放音。图 6 添加了语音 电路 sp 模块，解决了由于干扰大和电压不足等原因造成的播放不清和声音偏小 的问题。 毕业论文 毕业论文 2.2 系统的软件设计 2.2.1 软件设计思路 软件设计应用单片机 c 语言编程，以其较好的可读性和可移植性很好的完成了 本次设计任务。程序设计上使用定时器 0 中断来控制交通灯的正常工作。定时 器 1 中断控制特殊车辆的通行时间；外部中断 int1 用于紧急情况、流量控制和 恢复等，外部中断 int0 用于特种车辆通行处理。系统采用两个状态标志位 “id”“id_int”，来记录交通灯的循环状态。紧急中断与特种车辆中断响应迅 速，以体现紧急情况交通灯的处理。其中，车流量控制中断在下一个循环开始 时响应，以避免突然的红绿灯变换使交通出现异常。2.2 程序设计流程图（如 图 7、8、9、10 所示） 毕业论文 定时计数器 0，外部中断 0，外部中断 1 初始化 in_int=? id=2 正常状态计时循环 1 上电 南北忙状态计时循环 1 东西忙状态计时循环 1 id=1 id=1 正常状态计时循环 1 南北忙状态计时循环 1 东西忙状态计时循环 1 id=2 图 7 主程序流程图 进入中断 向定时器重新置数 标志数减 1 退出中断 图 8 定时器 0，1 中断程序 毕业论文 图 9 外部中断 0 程序 进入中断 哪个按键触发中断 id_int=3 id_int=2 id_int=1 p0,p 口 2 置数 退出中断 图 10 外部 1 中断程序 p0,p1 口置数 进入中断 定时器 1 初始化 15 秒倒计时 关闭定时器 1 中断 降低定时器 1 中断 退出中断 毕业论文 设计总结 本系统采用多种中断处理和 p0 口的分时复用功能，实现了各种情况下交通灯的 正常指示和倒计时功能。在此过程中还很好的完成了对特种车的检测。经测试 可以准确地利用交通灯和 led 数码管指挥交通，其中附加的语音功能又进一步 完了本系统。从最终结果看，本系统模拟交通路口交通灯的情况与实际情况很 吻合，有较强的实际应用价值。 毕业论文 参考文献 1王奕凌,蔡伟智.自动调光 l e d 交通灯p.中国专利:zl022128840,2003-01-26 2郑智斌,彭万华.led 发光特性分析j.液晶与显示,2003,12(6):42-45 3彭万华.超高亮 led 性能及可靠性j.液晶与显示,2001,31(8):101-104 4彭志刚.利用单片机改进交通灯控制系统j.湖南工业职业技术学院学报,2003,2(2): 25-27. 5李广弟.单片机基础m.北京:北京航空航天大学出版社.2001.45-47 6何立民.单片机应用技术选编m.北京:北京航空航天大学出版社.2004.82-86 7张毅坤.单片微型计算机原理及应用m.西安:西安电子科技大学出版社,1998.52-57 8胡宴如.模